Mpemba vaikutus(Mpemba's Paradox) - paradoksi, joka sanoo, että kuuma vesi jäätyy joissakin olosuhteissa nopeammin kuin kylmä vesi, vaikka sen on läpäistävä kylmän veden lämpötila jäätyessään. Tämä paradoksi on kokeellinen tosiasia, joka on ristiriidassa tavanomaisten käsitysten kanssa, joiden mukaan samoissa olosuhteissa kuumennetulla kappaleella kuluu enemmän aikaa jäähtyä tiettyyn lämpötilaan kuin vähemmän kuumenneella kappaleella jäähtyä samaan lämpötilaan.
Tämän ilmiön huomasivat aikoinaan Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes, mutta vasta vuonna 1963 tansanialainen koulupoika Erasto Mpemba huomasi, että kuuma jäätelöseos jäätyy nopeammin kuin kylmä.
Tansaniassa Magambi High Schoolin opiskelijana Erasto Mpemba teki käytännön töitä kokina. Hänen täytyi tehdä kotitekoista jäätelöä - keittää maito, liuottaa siihen sokeri, jäähdyttää se huoneenlämpötilaan ja laittaa se sitten jääkaappiin jäätymään. Ilmeisesti Mpemba ei ollut erityisen ahkera opiskelija ja viivytti tehtävän ensimmäisen osan suorittamista. Hän pelkäsi, ettei hän selviä oppitunnin loppuun mennessä, joten hän laittoi vielä kuumaa maitoa jääkaappiin. Hänen yllätyksensä se jäätyi jopa aikaisemmin kuin hänen toveriensa maito, joka oli valmistettu annetun tekniikan mukaan.
Tämän jälkeen Mpemba kokeili paitsi maitoa, myös tavallista vettä. Joka tapauksessa hän kysyi jo Mkwavan lukion opiskelijana professori Dennis Osbornea Dar Es Salaamin yliopistosta (joka koulun johtaja kutsui pitämään luennon fysiikasta opiskelijoille) nimenomaan vedestä: "Jos otat kaksi identtistä astiaa, joissa on yhtä suuri määrä vettä, niin että toisessa veden lämpötila on 35 °C ja toisessa - 100 °C, ja laita ne pakastimeen, sitten toisessa vesi jäätyy nopeammin. Miksi?" Osborne kiinnostui tästä aiheesta ja pian, vuonna 1969, hän ja Mpemba julkaisivat kokeidensa tulokset Physics Education -lehdessä. Siitä lähtien heidän havaitsemaansa vaikutusta on kutsuttu Mpemba vaikutus.
Toistaiseksi kukaan ei tiedä tarkasti, kuinka selittää tätä outoa vaikutusta. Tieteilijöillä ei ole yhtä versiota, vaikka niitä on monia. Kyse on kuuman ja kylmän veden ominaisuuksien eroista, mutta vielä ei ole selvää, mitkä ominaisuudet vaikuttavat tässä tapauksessa: ero alijäähdytyksessä, haihtumisessa, jään muodostumisessa, konvektiossa vai nesteytettyjen kaasujen vaikutuksesta veteen klo. eri lämpötiloja.
Mpemba-ilmiön paradoksi on, että aika, jonka aikana keho jäähtyy ympäristön lämpötilaan, on verrannollinen tämän kehon ja ympäristön lämpötilaeroon. Tämän lain vahvisti Newton, ja se on sittemmin vahvistettu monta kertaa käytännössä. Tässä vaikutuksessa vesi, jonka lämpötila on 100 °C, jäähtyy 0 °C lämpötilaan nopeammin kuin sama määrä vettä, jonka lämpötila on 35 °C.
Tämä ei kuitenkaan vielä tarkoita paradoksia, koska Mpemba-ilmiö voidaan selittää tunnetun fysiikan puitteissa. Tässä on joitain selityksiä Mpemba-efektille:
Haihtuminen
Kuuma vesi haihtuu nopeammin säiliöstä, mikä pienentää sen tilavuutta, ja pienempi määrä vettä samassa lämpötilassa jäätyy nopeammin. 100 asteeseen kuumennettu vesi menettää 16 % massastaan 0 C:een jäähdytettynä.
Haihdutusvaikutus on kaksinkertainen. Ensinnäkin jäähdytykseen tarvittavan veden massa pienenee. Ja toiseksi, lämpötila laskee johtuen siitä, että vesifaasista höyryfaasiin siirtymisen höyrystymislämpö laskee.
Lämpötila ero
Koska kuuman veden ja kylmän ilman välinen lämpötilaero on suurempi, lämmönvaihto on tässä tapauksessa voimakkaampaa ja kuuma vesi jäähtyy nopeammin.
Hypotermia
Kun vesi jäähtyy alle 0 C, se ei aina jäädy. Joissakin olosuhteissa se voi alijäähtyä ja pysyä nesteenä pakkasen alapuolella. Joissakin tapauksissa vesi voi pysyä nesteenä jopa -20 C:n lämpötilassa.
Syynä tähän vaikutukseen on se, että ensimmäisten jääkiteiden muodostumisen alkamiseksi tarvitaan kiteenmuodostuskeskuksia. Jos niitä ei ole nestemäisessä vedessä, alijäähdytys jatkuu, kunnes lämpötila laskee tarpeeksi, jotta kiteet voivat muodostua spontaanisti. Kun ne alkavat muodostua alijäähtyneessä nesteessä, ne alkavat kasvaa nopeammin muodostaen sohjojäätä, joka jäätyy muodostaen jäätä.
Kuuma vesi on alttiimmin hypotermialle, koska sen lämmittäminen poistaa liuenneet kaasut ja kuplat, jotka puolestaan voivat toimia jääkiteiden muodostumiskeskuksina.
Miksi hypotermia saa kuuman veden jäätymään nopeammin? Jos kyseessä on kylmä vesi, jota ei ole alijäähdytetty, tapahtuu seuraavaa. Tässä tapauksessa aluksen pinnalle muodostuu ohut jääkerros. Tämä jääkerros toimii eristeenä veden ja kylmän ilman välillä ja estää haihtumisen. Jääkiteiden muodostumisnopeus on tässä tapauksessa pienempi. Ylijäähdytetyn kuuman veden tapauksessa alijäähdytetyssä vedessä ei ole suojaavaa pintakerrosta jäätä. Siksi se menettää lämpöä paljon nopeammin avoimen yläosan läpi.
Kun alijäähdytysprosessi päättyy ja vesi jäätyy, lämpöä menetetään paljon enemmän ja siten jäätä muodostuu enemmän.
Monet tämän vaikutuksen tutkijat pitävät hypotermiaa päätekijänä Mpemba-ilmiön tapauksessa.
Konvektio
Kylmä vesi alkaa jäätyä ylhäältä, mikä pahentaa lämpösäteilyn ja konvektion prosesseja ja siten lämpöhäviötä, kun taas kuuma vesi alkaa jäätyä alhaalta.
Tämä vaikutus selittyy veden tiheyden poikkeavalla. Veden maksimitiheys on 4 C. Jos jäähdytät veden 4 C:een ja laitat sen alempaan lämpötilaan, vesipintakerros jäätyy nopeammin. Koska tämä vesi on vähemmän tiheää kuin vesi lämpötilassa 4 C, se jää pinnalle muodostaen ohuen kylmän kerroksen. Näissä olosuhteissa veden pinnalle muodostuu lyhyessä ajassa ohut jääkerros, mutta tämä jääkerros toimii eristeenä, joka suojaa alempia vesikerroksia, joiden lämpötila pysyy 4 C:n lämpötilassa. Siksi jäähdytysprosessi on hitaampi.
Kuuman veden tapauksessa tilanne on täysin erilainen. Veden pintakerros jäähtyy nopeammin haihtumisen ja suuremman lämpötilaeron vuoksi. Lisäksi kylmävesikerrokset ovat tiheämpiä kuin kuumavesikerrokset, joten kylmävesikerros vajoaa alas ja nostaa lämpimän vesikerroksen pintaan. Tämä vedenkierto varmistaa nopean lämpötilan laskun.
Mutta miksi tämä prosessi ei saavuta tasapainopistettä? Mpemba-ilmiön selittämiseksi tästä konvektion näkökulmasta olisi välttämätöntä olettaa, että kylmä ja kuuma vesikerros eroavat toisistaan ja konvektioprosessi itsessään jatkuu, kun veden keskilämpötila laskee alle 4 C.
Kuitenkaan ei ole olemassa kokeellista näyttöä tämän hypoteesin tueksi siitä, että kylmät ja kuumat vesikerrokset erottuvat konvektioprosessista.
Veteen liuenneet kaasut
Vesi sisältää aina siihen liuenneita kaasuja - happea ja hiilidioksidia. Näillä kaasuilla on kyky alentaa veden jäätymispistettä. Vettä lämmitettäessä näitä kaasuja vapautuu vedestä, koska niiden liukoisuus veteen on alhaisempi korkeissa lämpötiloissa. Siksi kuuman veden jäähtyessä se sisältää aina vähemmän liuenneita kaasuja kuin lämmittämättömässä kylmässä vedessä. Siksi lämmitetyn veden jäätymispiste on korkeampi ja se jäätyy nopeammin. Tätä tekijää pidetään joskus päätekijänä Mpemba-ilmiön selittämisessä, vaikkakaan ei ole olemassa kokeellista tietoa, joka vahvistaisi tämän tosiasian.
Lämmönjohtokyky
Tällä mekanismilla voi olla merkittävä rooli, kun vettä laitetaan jääkaappiosaston pakastimeen pienissä astioissa. Näissä olosuhteissa on havaittu, että kuumavesisäiliö sulattaa jään alla olevassa pakastimessa, mikä parantaa lämpökosketusta pakastimen seinämän kanssa ja lämmönjohtavuutta. Tämän seurauksena lämpö poistuu kuumavesisäiliöstä nopeammin kuin kylmästä. Kylmävesisäiliö ei puolestaan sulata alla olevaa lunta.
Kaikkia näitä (sekä muita) olosuhteita tutkittiin monissa kokeissa, mutta selkeää vastausta kysymykseen - mitkä niistä tarjoavat sataprosenttisen Mpemba-ilmiön toiston - ei koskaan saatu.
Esimerkiksi vuonna 1995 saksalainen fyysikko David Auerbach tutki alijäähdytysveden vaikutusta tähän vaikutukseen. Hän havaitsi, että kuuma vesi, joka saavuttaa alijäähtyneen tilan, jäätyy korkeammassa lämpötilassa kuin kylmä vesi ja siksi nopeammin kuin jälkimmäinen. Mutta kylmä vesi saavuttaa alijäähtyneen tilan nopeammin kuin kuuma vesi, mikä kompensoi edellistä viivettä.
Lisäksi Auerbachin tulokset olivat ristiriidassa aiempien tietojen kanssa, joiden mukaan kuuma vesi kykenisi saavuttamaan suuremman alijäähdytyksen, koska kiteytyskeskuksia oli vähemmän. Vettä lämmitettäessä siihen liuenneet kaasut poistuvat siitä, ja keitettäessä osa siihen liuenneista suoloista saostuu.
Toistaiseksi voidaan todeta vain yksi asia - tämän vaikutuksen toisto riippuu merkittävästi olosuhteista, joissa koe suoritetaan. Juuri siksi, että sitä ei aina toisteta.
O. V. Mosin
Kirjallisuudenlähteet:
"Kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi. Miksi se tekee niin?", Jearl Walker julkaisussa The Amateur Scientist, Scientific American, Voi. 237, nro 3, s. 246-257; syyskuuta, 1977.
"Kuuman ja kylmän veden jäätyminen", G.S. Kell julkaisussa American Journal of Physics, Voi. 37, nro 5, s. 564-565; toukokuu, 1969.
"Supercooling and the Mpemba Effect", David Auerbach, American Journal of Physics, Voi. 63, nro 10, s. 882-885; lokakuuta 1995.
"The Mpemba-ilmiö: kuuman ja kylmän veden jäätymisajat", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Voi. 64, nro 5, s. 524; toukokuu, 1996.
Heikko hanan paine voi järkyttää jopa tasaisimman kodin omistajan. Loppujen lopuksi vedenkeittimen tai kahvinkeittimen täytön kesto ja pesukoneen tai astianpesukoneen suorituskyky riippuvat paineesta.
Lisäksi jos paine on huono, on lähes mahdotonta käyttää joko wc:tä, suihkua tai kylpyä. Sanalla sanoen, jos hanassa ei ole painetta, talossa ei ole mukavaa asua.
Ymmärrämme syyt alhaiseen vedenpaineeseen hanassa
Mikä heikentää hanan vedenpainetta?
Olemme jo keskustelleet siitä, miksi hanan heikko vedenpaine voi pilata onnellisimmankin elämän täydellisimmässäkin talossa tai asunnossa. Valittaminen ei kuitenkaan auta surua. Lisäksi tämä ongelma ei ole niin kauhea kuin miltä näyttää. Sinun on vain ymmärrettävä, mikä heikensi painetta, ja saat melkein valmiin reseptin tämän ongelman poistamiseksi.
Tässä tapauksessa luettelo TOP 3 syistä kuuman tai kylmän veden paineen laskuun on seuraava:
- Hana tukossa . Tässä tapauksessa vesisuihkun voimakkuutta heikentää ruoste- ja kalkkitulppa, joka on tukkinut ilmastimen, suodatinsisäkkeen (verkko) tai akselikotelon. Lisäksi vain yksi talon hana kärsii tästä ongelmasta. Eli jos vesijohtovesi virtaa huonosti esimerkiksi keittiössä, mutta kylpyhuoneessa ei ole ongelmia, sinun on purettava ja puhdistettava ongelmallinen kulutuspiste.
- . Tässä tapauksessa samat liete-, ruoste- tai hilsehiukkaset ovat syyllisiä. Vain nyt ne eivät tukki hanan ilmastinta tai hanaverkkoa, vaan vesijohtoon rakennettua suodatinta. Pahimmassa tapauksessa tällaiset kerrostumat voivat tukkia liitosliittimen tai itse putkiliittimen virtaushalkaisijan.
- . Tässä tapauksessa heikkenemisen syy voi olla joko vika pumppausaseman tasolla tai putkilinjan paineen aleneminen. Aseman vian voivat korjata vain huoltohenkilöstö. Tämän häiriön osoitus on veden puute koko naapurustossa. Tiiviyden menetys diagnosoidaan visuaalisesti - vesivirran avulla, joka pursuaa vesihuoltoliittimien rungosta. Jokainen huoltoyrityksen mekaanikko voi korjata tämän vian.
- Lisäksi paineen heikkenemisen syistä puhuttaessa on mainittava mahdolliset virhelaskelmat tiettyä vesijohtoa asennettaessa . Väärä halkaisija (suurempi kuin edellinen haara), liiallinen pituus (ei sovi painelaitteen ominaisuuksiin) - nämä ovat tärkeimmät syyt paineen laskuun uudessa vesihuoltoverkossa.
|
|
Jos et halua käsitellä niitä, tilaa vesihuoltoprojekti ammattilaisilta.
No, nyt kun tiedät jo syyt hanan paineen laskuun, on aika keksiä tapoja poistaa tämä vesihuoltovika.
Mitä tehdä, jos kylmä ja kuuma vesi eivät virtaa hyvin hanasta?
Kaikki riippuu paineen laskun syystä.
Jos hanasi on esimerkiksi tukossa, sinun on tehtävä seuraava:
Hanan ilmastimen irrotus puhdistusta varten
- Ota säädettävä jakoavain ja ruuvaa se irti hanan nokasta. – vaahtoava vesisuihkusuutin. Tässä osassa on erittäin pienet suuttimet. Siksi ilmastimet tukkeutuvat kuuden kuukauden välein. Ja jos puhumme hanasekoittimesta kuumalla / kylmällä vedellä, suuttimien puhdistustiheys pienenee 2-3 kuukauteen. Purettu ilmastin pestään juoksevan veden alla.
- Jos ilmastin on puhdas ja vesi virtaa heikosti, joudut sukeltamaan vielä syvemmälle hanan suunnitteluun . Todellakin, tässä tapauksessa sinun on päästävä lähelle lukitusyksikköä - akselilaatikkoa. Tätä varten sinun on purettava venttiili (hanan kahva) ja ruuvattava irti lukkoaluslevy, joka pitää lukituselementin korin istuimessa. Seuraavaksi poistat lukituskokoonpanon rungosta ja puhdistat sen pinnalta kaikki liete- tai kalkkijäämät. Lopussa sinun on koottava nosturi käänteisellä menettelyllä.
Ennen hanan sulkuyksikön purkamista, muista sulkea vedensyöttö sulkemalla vesihana, joka on lähinnä kulutuspaikkaa. Muuten tulvii koko asunnon.
- Jos ongelman lähde ei ole hana, vaan suihkukaapin "suihke". tai kylpyhuoneessa, sinun on tehtävä asiat hieman eri tavalla. Katkaise ensin ruiskun syöttö. Poista se sitten telineestä tai metalliletkusta säädettävällä avaimella. Upota ruiskun irrotettu osa kattilaan, jossa on etikkaa. Lämmitä tämä väliaine keittolevyllä. Huuhtele vaaka vedellä. Palauta suutin paikoilleen.
Jos etikan haju ärsyttää sinua, kokeile 10-prosenttista sitruunahappoliuosta. Sen valmistamiseksi riittää, että liuotetaan 100 grammaa kuivaa happojauhetta - sitä myydään missä tahansa makeisosastolla - litraan vettä.
Jos et halua puuhata nosturin kanssa, soita rahastoyhtiön mekaanikkoon. Hän ratkaisee tämän ongelman silmiesi edessä.
Toivomme, että ymmärrät jo, mitä tehdä, jos hanassa on huono vedenpaine.
Siirrytään nyt putkiin:
- Sulje ensin vesi kääntämällä mittarin lähellä olevaa keskusventtiiliä.
- Irrota seuraavaksi karkeasuodattimen tulppa. Irrota lankakasetti ja pese se astiassa. Palauta sitten suodatinelementti paikoilleen, vaihda tiiviste ja kierrä tulppa kiinni.
- Kun olet tarkistanut karkeasuodattimen, jatka hienopuhdistusjärjestelmän tarkistamiseen. Irrota se ensin vesijohdosta ja tarkista paine vapaassa putkessa avaamalla hieman keskusventtiiliä. Jos kaikki on kunnossa, vaihda vuoraus huuhtelemalla samalla suodatinlasi kertyneen lian hiukkasista. Lopussa kaikki tietysti asennetaan alkuperäiselle paikalleen.
- Jos suodattimet puhdistetaan, mutta vesi ei silti tule hanasta vaaditulla voimalla, paineen laskun syynä on itse putkien tukos. Tämän ongelman paikantaminen ja poistaminen on erittäin aikaa vievä tehtävä. Siksi, kun suodattimet on puhdistettu ilman tuloksia, sinun on soitettava rahastoyhtiöön ja ilmoitettava ongelmasta, joka liittyy putkien kulkemiseen vesihuollossa.
Jos et ole vaihtanut asunnon vesijärjestelmän johdotusta, rahastoyhtiö maksaa putkien puhdistuksen. Loppujen lopuksi hänen on valvottava "alkuperäisen" teknisen viestinnän suorituskykyä.
On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat siihen, mihin vesi jäätyy nopeammin, kuumana vai kylmänä, mutta itse kysymys vaikuttaa hieman oudolta. Fysiikasta tiedetään, että kuuma vesi tarvitsee vielä aikaa jäähtyä verrattavan kylmän veden lämpötilaan muuttuakseen jääksi. Tämä vaihe voidaan ohittaa, ja vastaavasti hän voittaa ajoissa.
Mutta vastauksen kysymykseen, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma - ulkona kylmässä, kuka tahansa pohjoisten leveysasteiden asukas tietää. Itse asiassa tieteellisesti käy ilmi, että joka tapauksessa kylmä vesi yksinkertaisesti jäätyy nopeammin.
Fysiikan opettaja, jonka puoleen kääntyi koulupoika Erasto Mpemba vuonna 1963, ajatteli samaa ja pyysi selittää, miksi tulevan jäätelön kylmän seoksen jäätyminen kestää kauemmin kuin vastaavan, mutta kuuman jäätelön.
"Tämä ei ole universaalia fysiikkaa, vaan jonkinlaista Mpemba-fysiikkaa"
Tuolloin opettaja vain nauroi tälle, mutta fysiikan professori Deniss Osborne, joka aikoinaan vieraili samassa koulussa, jossa Erasto opiskeli, vahvisti kokeellisesti tällaisen vaikutuksen olemassaolon, vaikka sille ei silloin ollut selitystä. Vuonna 1969 näiden kahden henkilön yhteinen artikkeli julkaistiin suositussa tieteellisessä lehdessä, jossa kuvattiin tätä erikoista vaikutusta.
Siitä lähtien kysymyksellä siitä, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä - on muuten oma nimi - Mpemba-ilmiö tai paradoksi.
Kysymys on ollut esillä jo pitkään
Luonnollisesti tällainen ilmiö tapahtui aiemmin, ja se mainittiin muiden tutkijoiden töissä. Ei vain koululainen ollut kiinnostunut tästä asiasta, vaan myös Rene Descartes ja jopa Aristoteles ajattelivat sitä aikoinaan.
Mutta he alkoivat etsiä lähestymistapoja tämän paradoksin ratkaisemiseksi vasta 1900-luvun lopulla.
Edellytykset paradoksien syntymiselle
Kuten jäätelön kohdalla, kokeen aikana ei jäädytä pelkkä vesi. Tietyt olosuhteet on vallitseva, jotta voidaan alkaa kiistellä siitä, kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Mikä vaikuttaa tämän prosessin kulkuun?
Nyt, 2000-luvulla, on esitetty useita vaihtoehtoja, jotka voivat selittää tämän paradoksin. Kumpi vesi jäätyy nopeammin, kuuma vai kylmä, voi riippua siitä, että sen haihtumisnopeus on korkeampi kuin kylmällä vedellä. Siten sen tilavuus pienenee, ja tilavuuden pienentyessä jäätymisaika lyhenee kuin jos otamme saman alkuperäisen tilavuuden kylmää vettä.
Siitä on aikaa, kun olet sulattanut pakastimen.
Se, mikä vesi jäätyy nopeammin ja miksi näin tapahtuu, voi vaikuttaa kokeeseen käytetyn jääkaapin pakastimessa mahdollisesti oleva lumipeite. Jos otat kaksi tilavuudeltaan identtistä astiaa, mutta toisessa on kuumaa vettä ja toisessa kylmää, kuumavesisäiliö sulattaa alla olevan lumen ja parantaa siten lämpötason kosketusta jääkaapin seinään. Kylmävesisäiliö ei voi tehdä tätä. Jos jääkaappiosastossa ei ole tällaista lunta, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin.
Ylä - alaosa
Myös ilmiö, jossa vesi jäätyy nopeammin - kuumana tai kylmänä - selitetään seuraavasti. Tiettyjen lakien mukaisesti kylmä vesi alkaa jäätyä ylemmistä kerroksista, kun kuuma vesi tekee päinvastoin - se alkaa jäätyä alhaalta ylöspäin. Osoittautuu, että kylmä vesi, jonka päällä on kylmä kerros, jossa on jo paikoin muodostunutta jäätä, huonontaa siten konvektio- ja lämpösäteilyprosesseja, mikä selittää, mikä vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma. Liitteenä on kuvia amatöörikokeista, ja tämä näkyy selvästi täällä.
Lämpö sammuu, ryntää ylöspäin, ja siellä se kohtaa erittäin viileän kerroksen. Lämpösäteilylle ei ole vapaata polkua, joten jäähdytysprosessi vaikeutuu. Kuumalla vedellä ei ole tällaisia esteitä tiellään. Kumpi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma, mikä määrittää todennäköisen lopputuloksen? Voit laajentaa vastausta sanomalla, että mihin tahansa veteen on liuennut tiettyjä aineita.
Veden epäpuhtaudet lopputulokseen vaikuttavana tekijänä
Jos et huijaa ja käytä saman koostumuksen vettä, jossa tiettyjen aineiden pitoisuudet ovat samat, kylmän veden pitäisi jäätyä nopeammin. Mutta jos tapahtuu tilanne, jossa liuenneita kemiallisia alkuaineita on vain kuumassa vedessä, eikä kylmässä vedessä ole niitä, niin kuumalla vedellä on mahdollisuus jäätyä aikaisemmin. Tämä selittyy sillä, että veteen liuenneet aineet muodostavat kiteytyskeskuksia, ja pienellä määrällä näitä keskuksia veden muuttuminen kiinteäksi olomuodoksi on vaikeaa. On jopa mahdollista, että vesi alijäähtyy siinä mielessä, että pakkasessa se on nestemäisessä tilassa.
Mutta kaikki nämä versiot eivät ilmeisesti täysin sopineet tutkijoille, ja he jatkoivat työskentelyä tämän asian parissa. Vuonna 2013 tutkijaryhmä Singaporessa sanoi ratkaissensa ikivanhan mysteerin.
Ryhmä kiinalaisia tutkijoita väittää, että tämän vaikutuksen salaisuus piilee energiamäärässä, joka varastoituu vesimolekyylien väliin sen sidoksissa, joita kutsutaan vetysidoksiksi.
Vastaus kiinalaisilta tutkijoilta
Seuraavassa on tietoa, jonka ymmärtämiseksi tarvitset jonkin verran tietoa kemiasta ymmärtääksesi, mikä vesi jäätyy nopeammin - kuuma vai kylmä. Kuten tiedetään, se koostuu kahdesta H (vety) atomista ja yhdestä O (happi) atomista, joita pitävät yhdessä kovalenttiset sidokset.
Mutta myös yhden molekyylin vetyatomit vetoavat viereisiin molekyyleihin, niiden happikomponenttiin. Näitä sidoksia kutsutaan vetysidoksiksi.
On syytä muistaa, että samalla vesimolekyylit vaikuttavat toisiaan vastenmielisesti. Tutkijat totesivat, että kun vettä lämmitetään, sen molekyylien välinen etäisyys kasvaa, ja tätä helpottavat hylkivät voimat. Osoittautuu, että viemällä saman etäisyyden molekyylien välillä kylmässä tilassa niiden voidaan sanoa venyvän ja niillä on enemmän energiaa. Juuri tämä energiavarasto vapautuu, kun vesimolekyylit alkavat liikkua lähemmäksi toisiaan, eli tapahtuu jäähdytystä. Osoittautuu, että kuumassa vedessä suurempi energiavarasto ja sen suurempi vapautuminen jäähtyessään pakkasen lämpötilaan tapahtuu nopeammin kuin kylmässä vedessä, jolla on pienempi energiavarasto. Joten kumpi vesi jäätyy nopeammin - kylmä vai kuuma? Kadulla ja laboratoriossa pitäisi tapahtua Mpemban paradoksi, ja kuuman veden pitäisi muuttua jääksi nopeammin.
Mutta kysymys on edelleen avoin
Tälle ratkaisulle on vain teoreettinen vahvistus - kaikki tämä on kirjoitettu kauniilla kaavoilla ja näyttää uskottavalta. Mutta kun kokeelliset tiedot, joista vesi jäätyy nopeammin - kuuma tai kylmä - otetaan käyttöön käytännössä, ja niiden tulokset esitetään, voidaan Mpemban paradoksista kysymystä pitää suljettuna.
Miksi vesi jäätyy? Vesi on ihmeellinen luonnon ihme. Se on välttämätön kaikelle elämälle maan päällä. Tiedemiesten mukaan elämä syntyi vedessä. On yllättävää, että vesi voi olla kolmessa tilassa: nestemäinen, kiinteä ja kaasumainen. Samalla se voi siirtyä tilasta toiseen. Suurin osa planeetan vedestä on nestemäistä. Veden kiinteä tila on jäätä.
Miksi vesi jäätyy kylmässä?
Veden kykyyn muuttua eri tiloihin vaikuttaa sen koostumus. Vesimolekyylit ovat heikosti sitoutuneita toisiinsa; ne aina liikkuvat ja ryhmittyvät, mutta samalla ne eivät voi muodostaa tiettyä rakennetta. Vesi ottaa sen astian muodon, johon se asetetaan, mutta se ei yksinään voi pitää sisällään mitään tiettyä mallia. Esimerkiksi kaadamme vettä pannulle, ja neste ottaa muotonsa, mutta ei pysty pitämään sitä astian ulkopuolella.
Kuumennettaessa vesimolekyylit alkavat liikkua suhteessa toisiinsa entistä nopeammin ja kaoottisemmin, menettäen yhteyden toisiinsa enemmän. Tässä tapauksessa vedestä tulee höyryä.
Kun alhaiset lämpötilat vaikuttavat veteen, molekyylien liike estyy, niiden välinen yhteys vahvistuu, ja sitten ne voivat rakentaa rakenteen - kuusikulmainen kiteitä. Tilaa, jossa kosteus muuttuu jääksi, kutsutaan kiteytymiseksi, kiinteytymiseksi.
Tällaisessa vahvassa tilassa se voi säilyttää hankkimansa erilaiset muodot pitkään. Vesi alkaa jäätyä 0 celsiusasteen lämpötilassa. Siten veden siirtyminen nestemäisestä tilasta kiinteään tilaan, jäähän, määräytyy veden fysikaalisten ominaisuuksien, sen koostumuksen perusteella.
Miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi?
Puhuttaessa veden "muuttumisesta" jääksi havaitaan omituisia ilmiöitä. Kuuma jäätyy nopeammin kuin kylmä, vaikka se näyttää kuinka epätodennäköiseltä tahansa. Tämä tosiasia on ollut tiedossa pitkään, mutta pitkään aikaan ei ollut mahdollista paljastaa veden salaperäisten ominaisuuksien salaisuutta. Vasta 1900-luvulla tutkijat ympäri maailmaa yrittivät selittää syyn siihen, miksi kuuma vesi jäätyy nopeammin kuin kylmä vesi.
Vuonna 1963 poika nimeltä Mpemba Tansaniasta huomasi jäätelöä tehdessään, että herkullinen herkku kovetti nopeammin, jos se oli valmistettu lämpimästä kuin kylmästä maidosta. He alkoivat pilata häntä, kun hän jakoi havainnot opettajalleen ja ystävilleen. Vain yksi henkilö, professori Dennis Osborne, jonka Mpemba tapasi aikuisena, kiinnitti huomiota tähän tosiasiaan.
Kuuman veden jäätymisestä kylmää vettä nopeammin on esitetty monia hypoteeseja, mutta ne kaikki jäivät olettamuksiksi. Veden "outoa" käyttäytymistä kutsutaan "Mpemba-ilmiöksi". Tutkimuksia tehdään edelleen. Monien maiden tutkijat yrittävät todistaa "Mpemba-ilmiön", mutta toistaiseksi tuloksetta.
Monet tutkijat eivät pidä tätä tosiasiaa huomion arvoisena, koska jäätelöllä on erilaiset ominaisuudet kuin kovalla vedellä. Singaporen fyysikot vuonna 2013 todistivat teoreettisesti Mpemba-ilmiön mysteerin, mutta laboratoriotutkimusten vahvistusta käsittämättömästä ilmiöstä ei vieläkään ole.
Vesi jäätyy ylhäältä, ei alhaalta
Melkein kaikki tietävät, että säiliöihin alhaisissa lämpötiloissa muodostuu ensin ohut jääkuori, joka paksunee ja voimistuu pakkasen voimistuessa. Ja jos ei olisi tätä veden ihmeellistä ominaisuutta, on epätodennäköistä, että kukaan pystyisi luistelemaan, koska jää yksinkertaisesti uppoaisi säiliön pohjalle.
Vesi, kuten useimmat vastaavat aineet, supistuu ja pienenee jäähtyessään, mutta lämpötilaan, joka on vähintään 3 celsiusastetta. Alemmissa lämpötiloissa vesi päinvastoin laajenee ja sen tiheys kasvaa. Jää on vettä kevyempää, ja tämä pitää sen päällä.
Miksi tislattu vesi ei jäädy?
Tislattua vettä kutsutaan puhtaaksi, se on "vapautettu" kaikista epäpuhtauksista ja hapesta. Epäpuhtaudet ovat fragmentteja, joihin vesimolekyylit kiinnittyvät. Siirtyessään nestemäisestä tilasta jäähän vedessä olevat epäpuhtaudet puristuvat yhteen.Tislattu vesi laajenee muiden aineiden puuttuessa ja molekyylien välinen etäisyys kasvaa.
Tuloksena oleva jää kelluu pinnalla, koska se on vettä kevyempää. Silti tislattu vesi voi jäätyä, mutta sen jäätymispiste on paljon alhaisempi kuin tavallisen veden. Samalla havaittiin, että jos osut esimerkiksi tislattua vettä sisältävään pulloon tai ravistelet sitä, vesi alkaa välittömästi jäätyä. Tämä selittyy molekyylien tarttumisella törmäyksessä.
Kivennäisveden jäätymispiste
Kivennäisvesi on kyllästetty ihmisille hyödyllisillä suoloilla ja kemikaaleilla. Kivennäisveden jäätymispiste on alhaisempi kuin tavallisen veden. Vesisäiliön lyöminen tai ravistaminen nopeuttaa jäätymistä samalla tavalla kuin tislatulla vedellä. Vesimolekyylit tarttuvat toisiinsa ja rakentuvat kiteiksi, joten vesi jäätyy.
Jäätyykö suolavesi?
Jotkut ihmiset uskovat, että se ei jäädy. Tämä väite ei ole täysin totta. Myös suolavedellä on taipumus jäätyä, mutta sen jäätymispiste on selvästi alle nollan. Selitys tälle on veden molekyylikoostumuksessa.
Suola tai pikemminkin sen pienet kiteet eivät salli vesimolekyylien yhdistymistä. Suolaveden jäätyminen riippuu sen sisältämän suolan pitoisuudesta. Mitä enemmän suolaa vedessä, sitä matalampi jäätymispiste. Miksi Etelämantereen jää ja jäävuoret ovat makean veden varantoja? Tiedemiesten mukaan nämä ovat sirpaleita mantereesta, joka erosi miljoonia vuosia sitten. Heidän sijaintinsa ei helpottanut heidän koulutustaan.
Merivesi jäätyy myös erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Veden pinnalle muodostuneet jääkiteet työntävät ulos suolakiteitä, joten mitä syvemmälle suolavesi rikastuu. Jos otat jäätä meren vedenpinnalta ja sulatat sen, sulanut vesi on melkein raikas.
Jäätyykö Epiphany-vesi?
Loppiaista vettä kutsutaan "pyhäksi". On olemassa mielipide, että loppiaisena yönä ja seuraavien kolmen päivän aikana kaikkien säiliöiden vesi muuttuu "pyhäksi", jolla on maagisia parantavia ominaisuuksia. Sitä voidaan todellakin säilyttää pitkään muuttamatta sen makua, mutta se jäätyy. Kuka tahansa voi varmistaa tämän. Laita kylmään 2 pulloa, jotka on täytetty loppiaisyönä kerätyllä tavallisella vedellä. Vesi jäätyy molemmissa pulloissa tasaisesti.
Jäätyykö kaivossa oleva vesi?
Ihmiset juovat mieluummin vettä kaivosta, koska he pitävät sitä hyödyllisempänä ja keholle sopivampana. Jäätyykö kaivon vesi talvella? Vastaus tähän kysymykseen on ilmeinen. Jos kaivo on riittävän syvä, veden pinta ei nouse maan jäätymispisteen yläpuolelle, mikä tarkoittaa, että kaivon vesi ei jäädy. Jos kaivo on matala, veden pintakerros voi peittyä jääkuorella tai merkittävällä jääkerroksella.
Vesi on hämmästyttävä aine, joka voi muuttua tilasta toiseen kemiallisen koostumuksensa vuoksi. Veden jäätymispiste vaihtelee. Vesi on luultavasti ainoa poikkeuksellinen aine, joka voi laajentua alhaisissa lämpötiloissa.
jäätynyt vesi
Kaikki tietävät veden merkityksen ja hyödyt elämälle. Osoittautuu, että pakastamisen jälkeen sulatetulla vedellä on parantavia ominaisuuksia ihmiskehossa. Se muuttaa rakennettaan jäädyttämisen ja sulatuksen jälkeen. Monet ihmiset pitävät vuorikiipeilijöiden pitkäikäisyyden syynä vuoristossa virtaavien lähteiden sulamisvettä.